1.1 연구배경

최근 이상 기후 현상으로 인해 집중호우의 강도와 빈도가 증가하면서 자연재해 문제가 심각해지고 있다. 최근 환경부 보고에 의하면 2014년 이후 극한 강수 현상이 꾸준히 증가하며, 특히 단시간 강우 강도가 높아져 중소하천에서 홍수 발생 가능성이 높아지고 있다.

이러한 강우 패턴 변화는 하천 홍수 피해 증가로 이어진다. 2002년 이후 하천 홍수 피해액은 감소 추세지만, 소하천 피해는 전체 피해액에서 차지하는 비율이 지속해서 증가하여 2009년 이후 80% 이상을 차지한다. 도시화가 진행된 안양천 사례에서도 강우량 증가에 따라 홍수량이 증가하며, 확률 강우량과 설계 홍수량 또한 증가한 것으로 나타났다(Park, 2003).

이러한 중소하천 피해는 교량에 직접적인 영향을 미친다. 교량 피해 사례 분석 결과, 철근 콘크리트 슬래브교의 피해가 가장 많았고, 다양한 형식의 교량에서 피해가 발생했다. 특히 중소규모 교량은 유수압에 대한 저항력이 약하고 통수 단면적이 작아 홍수 시 유송 잡물로 인해 피해가 더 커질 수 있다(Kim, 2020).

기후 변화로 인한 집중호우와 홍수 발생 위험 증가에 따라, 자연재해에 대한 대응력을 갖춘 교량 설계의 필요성이 커지고 있다. 특히 중소하천 교량은 취약한 구조적 특성으로 인해 피해 발생 가능성이 높아 대비책 마련이 시급하다(Ahn et al., 2015).

특히, 집중호우 피해가 큰 중·소하천에 적용할 수 있도록 유수압에 저항하고 통수 단면을 확보하며, 유송 잡물이 걸리지 않도록 지간을 충분히 확보하고 지진 시 안전한 교량의 필요성이 증가하고 있다(Han and Lee, 2009).

본 연구는 유송 잡물 배제를 위해 통수 단면을 확보하고 지진 등 예기치 않은 하중에 대한 안전성을 확보하며 시공성을 향상한 기술 개발을 위해 라멘교와 RC 슬래브교는 단부 또는 교대에서 넓은 단면적을 요구함에 따라 높은 계획고를 요구하며 이에 따른 추가적인 성토 또는 토사의 유실을 막기 위한 추가적인 옹벽 또는 날개벽 설치 등으로 비경제적인 시공이 적용된다(Staquet et al., 2004). 따라서 이러한 상황에 대한 대책의 일환으로 본 논문에서 단부감소형 프리플렉스 거더를 제안하고 정적 및 동적실험을 통한 성능평가 연구를 목표로 한다.

2.1 프리플렉스 거더의 실험체 제작 및 공정

Table 1은 교량 시험체의 제원을 나타내고 있으며, 교량 시험체에 사용한 재료는 다음과 같다. 슬래브는 굵은 골재 최대치수 25 mm, 재령 28일 압축강도 27 MPa, 슬럼프 15 cm의 콘크리트와 항복강도 400 MPa의 고강도 철근을 사용하였다. 보는 골재 최대치수 25 mm, 재령 28일 압축강도 45 MPa, 슬럼프 15 cm의 고강도 콘크리트와 항복강도 400 MPa의 고강도 철근 및 항복강도 360 MPa의 용접구조용 강재를 사용하였다. 또한, 7연선 15.2 mm PC 강선을 사용하였고, 하부는 굵은 골재 최대치수 25 mm, 재령 28일 압축강도 24 MPa, 슬럼프 25 cm의 콘크리트와 항복강도 300 MPa의 일반 철근을 사용하였다.

Table 1

Bridge Test Specimen Data

Fig. 2는 단부감소형 프리플렉스 거더 공법이 적용된 교량 시험체인 송석교 완공 전경이다. 제작이 완료된 거더는 해당 현장에서 용접을 통해 볼트를 고정 및 연결한 후 강연선을 배치하고 하부케이싱 철근 조립한 후 재하대 및 거푸집을 설치하고 프리플렉싱 하중을 도입한다. 또한, 하부 플랜지 콘크리트를 타설 및 양생한 후 긴장재에 프리스트레스 압축응력을 도입하고 바닥판 및 가로보 벽체 2차 콘크리트 타설한 후 부대공 설치하고 교량을 준공한다. Fig. 3은 거더의 실제 제작 모습이다.

Fig. 2

Bridge Test Specimen with Reduced end Preflex Girder

Fig. 3

Girder Factory Production Details

2.2 실험장치 및 방법

정적 재하실험은 변형률계, 처짐계를 시험체에 설치하고 데이터 로거를 통하여 정적 변형률과 변위를 측정하였다. 동적 재하실험은 변형률계, 처짐계, 가속도계를 시험체에 설치하고 동적 증폭기를 거쳐 데이터 로거를 통하여 동적 변형률과 변위를 측정하고 신호를 개별 스펙트럼 구성 요소로 변환하여 신호에 대한 진동수 측정하는 고속푸리에변환 분석(Fast Fourier transform analysis)을 수행하였다(Kim, et al., 2011).

본 연구의 정적 및 동적 하중실험에 적용된 하중재하 시험차량은 용량 15 ton의 덤프트럭에 교량에 대한 응답비의 증폭을 위하여 토사를 적재하여 하중을 재하하였고, 해당 차량의 총중량은 교량의 등급을 고려한 약 26 ton 수준을 유지토록 하였다. 하중재하 시험차량의 모습과 제원 및 축중하중은 Fig. 4와 Table 2와 같다.

Fig. 4

Detailed Diagram of the Distance between the Load-bearing Test Vehicle and the Point of Action

Table 2

Specifications and Axle Load of Load-bearing Test Vehicle

정적 재하실험 방법의 경우 총 3가지의 하중조합을 통해 각 실험 중 대상교량의 측점에 대한 최대응답을 얻고 대칭성을 확보하도록 시험 차량을 재하하였다. 성능평가를 위한 실험에서 적용되는 하중은 최대 휨모멘트 발생부와 최대 전단력 발생부에 재하하였고, 각 정적 재하실험의 차량 재하방향과 Load Case별 시험 차량의 위치는 Figs. 5~7과 같다.

Fig. 5

Static Load Test Load (Load Case 1 - G1, G2)

Fig. 7

Static Load Test Load (Load Case 3 – G3, G4)

Fig. 6

Static Load Test Load (Load Case 2 - G2, G3)

동적 재하시험 방법의 경우 동적 응답 특성을 측정하기 위한 게이지의 위치 및 종류는 정적재하시험의 경우와 동일하지만, 정적재하시험에서 사용한 시험 차량을 시점(A1)에서 종점(A2)으로 진행하였으며 각 구간별로 최저 주행속도인 10 km/hr를 시작으로 주행가능속도인 40 km/hr까지 단계별로 주행하였다. 교량 고유진동수의 분석을 위하여 시험차량이 대상구간을 통과하는 과정과 통과한 이후에도 일정시간 여진을 측정하였으며 해당 실험 단계의 제원은 Table 3과 같다.

Table 3

Dynamic Load Test Specifications for Each Stage of the Experiment

3.1 정적성능평가

정적 재하실험을 수행하여 도출된 변위 응답 결과는 Table 4와 같고 도식화한 결과는 Fig. 8과 같다. 단부감소형 프리플렉스 거더교의 정적 재하실험에 의한 변위는 평균적으로 DT-1에서 –2.63 mm, DT-2에서 –2.53 mm, DT-3에서 –2.67 mm, DT-4에서 –2.61 mm을 나타냈으며, 위치에 따라 LC-1에서 –2.56 mm, LC-2에서 –2.71 mm, LC-3에서 –2.56 mm을 나타냈다. 또한, 최대 변위는 재하조건 LC-3에서 수행된 DT-4 위치에서 –4.38 mm만큼 측정되었다. Fig. 8은 정적 하중시험을 통해서 취득한 데이터를 활용하여, 하중조건에 따른 거동 특성은 대칭성 분석을 한 것이며, 대칭성 분석은 교량의 이상 거동 유무를 판단할 수 있는 기준이 된다.

Table 4

Static Loading Test Displacement Response Results according to Time for Each Bridge Section

Fig. 8

Static Loading Test Displacement Response Results according to Time for Each Bridge Section

대칭성이란 대칭구조의 교량 부재에 하중을 대칭으로 재하시 측정결과를 대칭적으로 보여주는데 측정값이 합리적이거나 충분한 신뢰성을 지니고 있으면 교량이 선형 탄성 범위에서 건전한 거동을 하는가를 판단하는 자료로 활용이 가능하다. 단부감소형 프리플렉스 거더교의 정적 재하시험에 의한 횡방향 하중 분배율에 대한 검토 결과 하중의 분배가 대칭적으로 나타나고 있으며 구조물의 횡방향 거동은 양호한 것으로 평가되며 서로 대칭인 재하의 경우에 비교를 통해 계측 결과의 신뢰성을 확보하였다.

3.2 동적성능평가

동적 재하실험을 수행하여 도출된 변위 응답 결과는 Table 5와 같고 도식화한 결과는 Fig. 9와 같다. 단부감소형 프리플렉스 거더교의 동적 재하실험에 의한 변위 응답 결과는 평균적으로 위치에 따라 DT-1에서 –3.94 mm, DT-2에서 –2.99 mm, DT-3에서 –2.58 mm, DT-4에서 –1.73 mm을 나타냈으며, 속도에 따라 10 km/hr에서 –2.74 mm, 20 km/hr에서 –2.93 mm, 30 km/hr에서 –2.75 mm, 40 km/hr에서 –2.87 mm을 나타냈다.

Table 5

Dynamic Load Test Displacement Response Results Over Time by Driving Speed

Fig. 9

Dynamic Load Test Displacement Response Results Over Time by Driving Speed

또한, 최대 변위는 DT-1조건에서 30 km/hr로 주행한 –4.095 mm로 측정되었다. 동적 재해실험을 통해 도출된 변위 응답 결과를 토대로 충격계수 산정시 5~10 km정도의 서행에 의한 응답을 정적 응답값으로 간주하고 이 값을 기준으로 속도별 응답치를 이용하여 충격계수를 산정하는 방법이 일반적으로 사용되나, 최초 서행 시와 매 속도마다의 응답은 운전자의 숙달, 습관, 주행위치 이격 등으로 달라질 수 있다.

따라서 각 속도별 동적응답을 1 Hz 이하의 Low Pass Filter로 필터링하여 응답 곡선을 구하고 필터링 전후의 값을 이용하여 각 속도별 충격계수를 구하는 방법을 사용하였다.

교량의 실측 최대 충격계수는 주행속도 40 km/hr 일 때 0.148로 분석되었으며, 이는 도로교 설계기준에 명시된 이론충격계수보다 낮게 측정되었으므로 실제 이동하중에 의한 변위 및 내하력의 영향은 양호한 것으로 판단된다.

고유진동수 산정을 위해서는 기존 진동데이터의 스펙트럼 해석이라는 불규칙한 진동 파형을 푸리에(Fourier) 변환을 통하여 시간영역의 데이터를 진동수 영역의 데이터로 바꾸고, 진동 파형에 포함되어 있는 진동수 성분의 강도를 구하는 것을 일컫는다(Gao, 2016).

차량이 교량을 통과할 때는 차량의 진동과 교량 자체 진동과의 상호 작용이 교량의 동적 거동에 영향을 미치므로 본 조사에서는 주행차량이 교량을 통과하고 지유 진동으로부터 교량의 측정 고유진동수를 구한다. 고유진동수를 산정하기 위하여 방호벽 상단에 설치된 가속도계로부터 주행 차량이 교량을 통과한 후의 교량의 여진으로부터 고유주파수를 측정하였다.

송석교의 동적 주행시험에 의한 고유진동수의 분석 결과 Tables 6, 7에서 3.184~3.196 Hz의 범위로 분석되었으며 이론치인 2.933 Hz 보다 다소 크게 측정되었으며 이는 대상 구조물이 공용하중에 요구되는 강성 이상을 확보하고 있는 것으로 확인되었다.

Table 6

Natural Frequency Measured through Dynamic Testing

Table 7

Theoretical Natural Frequency and Period